Neuroimaging Multimodale Avanzato nello Studio dell'Epilesiia

This thesis concerns the application of multimodal neuroimaging, namely EEG-fMRI and intracranial EEG-fMRI, to explore the relationship between epileptiform activity, whole brain dynamics and complex cognitive tasks. The limitations of fMRI, scalp EEG and intracranial EEG are discussed, together with the key advantages and limitations of combining them. The core of this thesis comprises a study of how spontaneous fluctuations in wakefulness affect effective connectivity (coupling) of the brain networks involved in centrotemporal spikes (CTS) generation in Childhood epilepsy with centrotemporal spikes (CECTS). We simultaneously acquired functional MRI (fMRI) and electroencephalography (EEG) in 25 patients at rest. We estimated the instantaneous CTS frequency and the EEG Wakefulness Index (EWI) - a high temporal resolution characterization of wakefulness versus drowsiness - based on the combination of different EEG power values from different channels. We then identified the brain regions in which BOLD signal changes are significantly correlated with instantaneous CTS frequency, resulting in 6 regions of interest (ROIs): bilateral motor cortex, thalamus and insula. Finally, a psychophysiological interaction (PPI) analysis was conducted, treating wakefulness-dependent brain states (indexed by EWI) as the psychological context, and using the BOLD signal of the 6 ROIs as the physiological signal. Moreover, we studied seven patients with focal epilepsy, having electrodes placed over the peri-sylvian cortex as part of their presurgical evaluation, who underwent a simultaneous intracranial EEG-fMRI session of a silent phonological verbal fluency task. This rare dataset allowed us to explore the relationship between the BOLD signal changes and the gamma band oscillations related to a word-generation task in patients with focal epilepsy.

Questa tesi riguarda l'applicazione di tecniche di neuroimaging multimodale avanzato, nello specifico EEG-fMRI e EEGintracranico-fMRI, per lo studio della relazione che intercorre ta l’attività epilettiforme, l’attività cerebrale di lara scala e compiti cognitivi complessi. Vengono inoltre discussi i limiti legati all’applicazione della fMRI, dell'EEG di scalpo, dell'EEG intracranico e alla combinazione di queste diverse modalità d’indagine. Questa tesi comprende uno studio di come come le oscillazioni spontanee dello stato di veglia interferiscono con i network corticali-sottocorticali coinvolti nel generare le punte cetrotemporali (CTS) in pazienti con epilessia focale idiopatica benigna (CECTS) e modularne la frequenza. 25 CECTS sono stati sottoposti a uno studio EEG-fMRI in condizione di veglia rilassata ad occhi chiusi. Dall'EEG di ogni paziente, abbiamo ricavato la frequenza delle CTS (CTS per unità di tempo) e l'indice di veglia (EEG Wakefulness Index, EWI), una metrica che esprime il rapporto tra divese bande di frequenza tipiche della veglia e del sonno. Sulla base dell’analisi di gruppo relativa alla frequenza delle CTS, abbiamo individuato 6 regioni di interesse (ROI): corteccia motoria, talamo, insula bilaterale, da cui abbiamo estratto il segnale BOLD. Abbiamo, quindi, esplorato come la connettività delle 6 ROI con ogni altro voxel cerebrale fosse influenzata dalle modificazioni dell’EWI nel tempo, utilizzando un’analisi di interazione psicofisiologica (PPI) a singolo soggetto e di gruppo. Inoltre, abbiamo studiato sette pazienti con epilessia focale, a cui erano stati impiantati elettrodi sulla corteccia peri-silviana nel contesto della valutazione prechirurgica. Questi pazienti sono stati sottoposti a una sessione di EEGintracranico-fMRI mentre eseguivano un compito di fluenza verbale fonologica silenziosa. Questo raro set di dati ci ha permesso di esplorare la relazione tra le modificazioni del segnale BOLD e le oscillazioni della banda gamma durante un compito di generazione di parole in pazienti con epilessia focale.